傳感器原理及應(yīng)用-第7章1

第七章熱電式傳感器

通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計算；掌握熱敏電阻不同類型的特點及應(yīng)用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。第一節(jié)概論

溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。在2000多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。人類社會中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。因此，人類離不開溫度，當(dāng)然也離不開溫度傳感器。

一、溫度的基本概念熱平衡：是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。分子物理學(xué)：反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度。能量：是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。溫標(biāo)：表示溫度大小的標(biāo)尺。熱力學(xué)溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)如果在式中再規(guī)定一個條件,就可以通過卡諾循環(huán)中的傳熱量來完全地確定溫標(biāo)。1954年，國際計量會議選定水的三相點為273.16，并以它的1/273.16定為一度，這樣熱力學(xué)溫標(biāo)就完全確定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年威廉·湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立溫度僅與熱量有關(guān)，而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)。因是開爾文總結(jié)出來的，故又稱開爾文溫標(biāo)，用符號K表示。它是國際基本單位制之一。根據(jù)熱力學(xué)中的卡諾定理，如果在溫度T1的熱源與溫度為T2的冷源之間實現(xiàn)了卡諾循環(huán)，則存在下列關(guān)系式1．熱力學(xué)溫標(biāo)Q1——熱源給予熱機的傳熱量

Q2——熱機傳給冷源的傳熱量為解決國際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的同意及實用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標(biāo)，即國際實用溫標(biāo)InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(簡稱IPTS-68)，又稱國際溫標(biāo)。2．國際實用溫標(biāo)注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1℃。T0是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度，T0=273.15K。水的三相點溫度比冰點高出0.01K。1968年國際實用溫標(biāo)規(guī)定熱力學(xué)溫度是基本溫度，用t表示，其單位是開爾文，符號為K。1K定義為水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16，水的三相點是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項平衡時的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定三相點溫度為273.16K，這是建立溫標(biāo)的惟一基準(zhǔn)點。氫氧三相點沸點54.36190.188-218.798-182.962水三相點沸點273.16373.150.01100.0鋅凝固點692.73419.58銀凝固點1235.08961.93金凝固點1337.581064.43物質(zhì)三相點平衡狀態(tài)溫度T68/KT68/℃13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸點25/76atm沸點沸點國際實用溫標(biāo)（IPTS-68）的固定點四個溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器①低溫鉑電阻溫度計（13.81K—273.15K）；②鉑電阻溫度計（273.15K—903.89K）；③鉑銠-鉑熱電偶溫度計（903.89K—1337.58K）；④光測溫度計（1337.58K以上）。國際實用開爾文溫度與國際實用攝氏溫度分別用符號T68和t68來區(qū)別（一般簡寫為T與t）。3．?dāng)z氏溫標(biāo)是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點與沸點中間劃分一百個等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，℃)，一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用。攝氏溫標(biāo)與國際實用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下：4．華氏溫標(biāo)目前已用得較少，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，符號用℉，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃二、溫度傳感器的特點與分類

隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化；蒸氣壓的溫度變化；電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動勢；光電效應(yīng)熱電效應(yīng)介電常數(shù)、導(dǎo)磁率的溫度變化；物質(zhì)的變色、融解；強性振動溫度變化；熱放射；熱噪聲。1

溫度傳感器的物理原理(11)特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要??；重復(fù)性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要?。粰C械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價格便宜；無危險性，無公害等。2.溫度傳感器應(yīng)滿足的條件3.溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電現(xiàn)象導(dǎo)磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結(jié)電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導(dǎo)體二極管晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學(xué)高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學(xué)高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容

測溫范圍溫度傳感器分類(1)分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計

測溫特性溫度傳感器分類(2)分類特征傳感器名稱測定精度±0.1～±0.5℃鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學(xué)高溫計溫度標(biāo)準(zhǔn)用測定精度±0.5～±5℃熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值±1～±5℃

測定精度溫度傳感器分類(3)

此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應(yīng)測溫計、約瑟夫遜效應(yīng)測溫計、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應(yīng)用，有的尚在研制中。公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導(dǎo)體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。三、溫度傳感器的發(fā)展概況接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器1．常用熱電阻

范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻

測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫?zé)犭娮鑳煞N碳電阻，可分別測量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經(jīng)濟性好、價格便宜。l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進行自動測量。

（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1％。美國麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)的高溫。

1．超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和-250℃以下的溫度傳感器。

2．提高溫度傳感器的精度和可靠性。

3．研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價廉的溫度傳感器。

4．發(fā)展新型產(chǎn)品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。

5．發(fā)展適應(yīng)特殊測溫要求的溫度傳感器。

6．發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動化的溫度傳感器。

（三）溫度傳感器的主要發(fā)展方向

熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號，便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。第二節(jié)熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★常用熱電偶與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補償★熱電偶的選擇、安裝使用和校驗兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同(設(shè)T＞T0)，則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)，早在1821年首先由西拜克(See·back)發(fā)現(xiàn)，所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB

一、熱電偶的工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端1.接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

K——波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K

；nA、nB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；

σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢溫差電勢原理圖由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0，如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢nAT、nAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；nBT、nBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)很多，以致溫度不能顯著地改變它的自由電子濃度，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢極小，可以忽略。因此，在一個熱電偶回路中起決定作用的，是兩個接點處的接觸電勢。故EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T)+eBA

(T0)熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。熱電偶分度表在冷端（參考端）溫度為0℃時,通過計量標(biāo)定實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系表。

測得熱電勢，查分度表得溫度值。EAB(T,T0)=eAB(T

)-eAB(T0)=f(T)-C=g(T)導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。②只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，由不同材料組成的熱電偶才能有熱電勢產(chǎn)生。①只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料組合不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)兩種導(dǎo)體是同一材料時，ln(nA/nB)=0，也即EAB(T，T0)=0。結(jié)論：

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體周圍是否存在溫度梯度，回路中也不會產(chǎn)生電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的。二、熱電偶基本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT2.中間導(dǎo)體定律

一個由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路熱電勢的代數(shù)和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則C例T2T1AaBCEABaAT0ABEABT1T2T0(a)(b)T0T0第三種材料接入熱電偶回路將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，圖a中的A、C接點與C、A的接點均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變。同理，圖b中C、A接點與C、B的接點同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T1ET0T0TET0T1T電位計接入熱電偶回路

根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與熱電偶連接處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB

如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律

4.連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律

在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線A′、B′相接，接點溫度分別為T、Tn、T0時，則回路總電勢為：

BB′A′

Tn

TT0

AAB

熱電偶補償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnA’B’T0T0E①為冷端溫度不是零度時，熱電偶如何查分度表的問題提供了依據(jù)：只要T、T0不變，接入Aˊ、Bˊ后不管接點溫度Tn如何變化，都不影響總熱電勢。②為引入所謂補償導(dǎo)線提供了依據(jù)：熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)?。槐阌谥圃?；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、常用熱電偶與結(jié)構(gòu)

1．鉑銠-鉑熱電偶分度號S工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲，90％鉑和10％銠(重量比)冶煉。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含CO、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較小。（一）常用熱電偶

2．鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶分度號K工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實驗室用可細些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000℃，短期1300℃。特點：價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，

H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，線性好，但精度不高。

3．鎳鉻-考銅熱電偶分度號為E工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實驗室用可更細些。正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600℃，短期800℃。特點：價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。4．鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度號為B正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600℃，短期可達1800℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在40℃以下可不加補償。價格高。幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠-銥10釕熱電偶，它能在氧化氣氛中測量高達2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵-鎳鉻熱電偶

主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（4）鈀-鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑-鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。（6）銅-康銅熱電偶，分度號T

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實驗室測量中。

（5）鐵-康銅熱電偶，分度號TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。

（二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型

1．工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。

工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234(a)(b)(c)(d)

1322．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。測溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.01～0.lμm)4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵-鎳、鐵-康銅和銅-康銅三種，尺寸為60×6×0.2mm；絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。

4．快速消耗微型熱電偶

下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10-鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標(biāo)定，測量精度可達土5～7℃。1423567891110快速消耗微型1—剛帽；2—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補償導(dǎo)線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線方法

冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法四、冷端處理及補償原因熱電偶熱電勢的大小是冷、熱端溫度的函數(shù)，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。1.冰浴法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T02.計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度t0，利用公式計算注意:既不能只按1.999mV查表，認為t=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為t=70℃。例用銅-康銅熱電偶測某一溫度t，參比端在室溫環(huán)境t0中，測得熱電動勢EAB(t，t0)=1.999mV，又用室溫計測出t0=21℃，查此熱電偶的分度表可知，EAB(21，0)=0.832mV，故得EAB(t，0)=EAB(t，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應(yīng)的熱端溫度t=68℃。把參比端溫度t0乘上系數(shù)k，加到由EAB(t，t0)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度t，即

k——為補正系數(shù)。t＝

t′+kt0′3.補正系數(shù)法例、用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度t0=35℃，熱電動勢為11.348mV。查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度t′=1150℃。再從表中查出，對應(yīng)于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

t=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)

例、用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表機械零點調(diào)到室溫t0的刻度上，在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0℃而是t0。而熱電偶的冷端溫度已是t0，則只有當(dāng)t=t0時，才能使EAB(t，t0)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，只要冷端溫度總保持在t0不變，指示值就基本準(zhǔn)確。4.零點遷移法應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(t0，0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點的辦法，加大某個適當(dāng)?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調(diào)整。EAB(t,t0)5.冷端補償器法利用直流電橋的不平衡電壓補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)和供橋電源組成。設(shè)計時，在20℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVT0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R6.軟件處理法對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。對于t0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把t0信號輸入計算機，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應(yīng)該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。1.熱電偶的選擇、安裝使用

熱電偶的選用應(yīng)該根據(jù)被測介質(zhì)的溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測溫時間長短來選擇熱電偶和保護套管。其安裝地點要有代表性，安裝方法要正確，圖示是安裝在管道上常用的兩種方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶常與毫伏計連用（XCZ型動圈式儀表）或與電子電位差計聯(lián)用，后者精度較高，且能自動記錄。另外也可熱電偶安裝圖通過與溫度變送器經(jīng)放大后再接指示儀表，或作為控制用的信號。五、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗熱電偶分度號校驗溫度/℃熱電偶允許偏差/℃溫度偏差溫度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所測熱電勢的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所測熱電勢的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所測熱電勢的±1%2.熱電偶的定期校驗

校驗的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗熱電偶裝在同一校驗爐中進行對比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。圖為熱電偶校驗裝置示意圖，最佳校驗方法可由查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得。工業(yè)熱電偶的允許偏差，見下表。工業(yè)熱電偶允許偏差78564321穩(wěn)壓電源220V熱電偶校驗圖

1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶；6-切換開關(guān)；7-測試儀表；8-試管熱電偶典型測溫線路普通測溫線路；(b)帶有補償器的測溫線路；(c)具有溫度變送器的測溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測溫線路六、熱電偶測溫線路1.測量某一點的溫度

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。2.測量兩點間溫度差（反向串聯(lián)）特點：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當(dāng)然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。3.測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

第三節(jié)熱電阻傳感器一、熱電阻的結(jié)構(gòu)

電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷支架上，支架起支撐和絕緣作用。熱電阻傳感器

由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成二、熱電阻傳感器的組成對用于制造熱電阻材料的要求：電阻溫度系數(shù)和電阻率大，熱容量??；

R-t關(guān)系最好成線性；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。三、常用熱電阻

鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］

（一）

鉑熱電阻在0～850℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.96847×10-3/℃

B=-5.847×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃3

可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。鉑電阻分度表

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為（二）

銅熱電阻α=4.28899×10-3/℃

兩種分度號：

Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。Rt=R0（1+αt）

銅熱電阻的分度表分度號：Cu50

溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13銅熱電阻的特點銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。

用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。二、熱電阻的測量電路內(nèi)部引線方式

這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。兩線制用于工業(yè)測量，一般精度

三線制實驗室用，高精度測量

四線制由恒流源供給已知電流I流過熱電阻Rt，使其產(chǎn)生壓降，再用電位差計測出U，便可利用歐姆定律得第四節(jié)熱敏電阻溫度傳感器

在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-40～＋350℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。

熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。主要講述熱敏電阻的特點、分類、基本參數(shù)，主要特性和應(yīng)用等。（一）熱敏電阻的特點

1．電阻溫度系數(shù)的范圍寬有正、負溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變（即臨界溫度系數(shù)）的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10～100倍左右。

2．材料加工容易、性能好

可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為0.2mm。

一、熱敏電阻的特點與分類

4．穩(wěn)定性好

商品化已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進，在0.01℃的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達0.0002℃的精度。優(yōu)于其它各種溫度傳感器。

5．原料資源豐富，價格低廉

燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點。

3．阻值在1～10M之間可供自由選擇

使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補償，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。

熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為：

1．正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）

電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏電阻，主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。

2．負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）

電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻，簡稱NTC熱敏電阻，材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。

3．突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）該類電阻的阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。（二）熱敏電阻的分類

熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge

、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機物石墨系有機物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR

V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS大分類小分類代表例子

1.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃時的阻值。二、熱敏電阻的基本參數(shù)

2.材料常數(shù)BN

是表征負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能量?E，具有BN=?E／2k的函數(shù)關(guān)系，k為波爾茲曼常數(shù)。一般BN值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，BN值并不是一個常數(shù)，而是隨溫度升高略有增加。

3.電阻溫度系數(shù)（%/℃）熱敏電阻的溫度變化1℃時電阻值的變化率。4.耗散系數(shù)H

溫度變化1℃所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，H值隨之變化，其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。

6.最高工作溫度Tmax

熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度：T0—環(huán)境溫度；PE—環(huán)境溫度為T0時的額定功率；H—耗散系數(shù)

7.最低工作溫度Tmin

熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。

8.轉(zhuǎn)變點溫度Tc

熱敏電阻的電阻一溫度特性曲線上的拐點溫度，主要指正溫度系數(shù)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。

5.時間常數(shù)τ

熱敏電阻在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時間。它與熱容量C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系

9.額定功率PE

在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷工作所允許的消耗功率。在此功率下，它自身溫度不應(yīng)超過Tmax。

10.測量功率P0

熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1％時所消耗的功率。

11.工作點電阻RG

在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻自熱而達到某一給定的電阻值。

12.工作點耗散功率PG

電阻值達到RG時所消耗的功率。

UG——電阻器達到熱平衡時的端電壓。

13.功率靈敏度KG

熱敏電阻在工作點附近消耗功率lmW時所引起電阻的變化，即：在工作范圍內(nèi)，KG隨環(huán)境溫度的變化略有改變。

14.穩(wěn)定性熱敏電阻在各種氣候、機械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性的能力。它可用熱敏電阻的主要參數(shù)變化率來表示，最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。KG＝R/P

15.熱電阻值RH

指旁熱式熱敏電阻在加熱器上通過給定的工作電流時，電阻器達到熱平衡狀態(tài)時的電阻值。

16.加熱器電阻值Rr

指旁熱式熱敏電阻的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻值。

18.標(biāo)稱工作電流I

指在環(huán)境溫度25℃時，旁熱式熱敏電阻的電阻值被穩(wěn)定在某一規(guī)定值時加熱器內(nèi)的電流。

19.標(biāo)稱電壓

它是穩(wěn)壓熱敏電阻在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作電流所對應(yīng)的電壓值。

20.元件尺寸指熱敏電阻的截面積A、電極間距離L和直徑d。

17.最大加熱電流Imax

指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3-4PTC三、熱敏電阻器主要特性ρT—T與RT—T特性曲線一致。RT、RT0——溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍（小于450℃），都能利用該式，它僅是一個經(jīng)驗公式。1負電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的溫度特性NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達式為：105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT–1/T表示負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻—溫度特性，在實際應(yīng)用中比較方便。如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN

，通過點(1/T，lnRT)的一條直線，如圖。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻的電阻—溫度關(guān)系式：RT/R25——BN關(guān)系如下表。RT/RT0--T特性曲線2.502550751001250.511.5233.5(25oC,1)RT/R25TRT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0／R25R75／R25R-20／R25R150／R25R100／R252.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的。10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩT/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oCPTC熱敏電阻的電阻—溫度曲線

PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻—溫度曲線上有兩個拐點：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時，正溫度系數(shù)熱敏電阻在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對應(yīng)有較大的溫度系數(shù)αtp

。

經(jīng)實驗證實：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻—溫度特性可近似用下面的實驗公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時的電阻值；

BP——正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。若對上式取對數(shù)，則得：

）可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)αtp

，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。lnRT~T

表示的PTC熱敏電阻器電阻—溫度曲線lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRrT若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αtp以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。UmαβabcdU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻的伏安特性（U—I）熱敏電器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時的互相關(guān)系。1.負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)U—I曲線。熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關(guān)系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。曲線見下圖，它與NTC熱敏電阻一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因為流過電阻電流很小時，耗散功率引起的溫升可以忽略不計的緣故。當(dāng)熱敏電阻溫度超過環(huán)境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性2．正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻的伏安特性

當(dāng)電壓增至Um時，存在一個電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負。

（三）功率-溫度特性（PT—T）描述熱敏電阻的電阻體與外加功率之間的關(guān)系，與電阻所處的環(huán)境溫度、介質(zhì)種類和狀態(tài)等相關(guān)。（四）熱敏電阻的動態(tài)特性熱敏電阻的阻值變化完全是由熱現(xiàn)象引起的。因此，它的變化必然有時間上的滯后現(xiàn)象。這種電阻值隨時間變化的特性，叫做熱敏電阻的動態(tài)特性。動態(tài)特性種類：周圍溫度變化所引起的加熱特性；周圍溫度變化所引起的冷卻特性；熱敏電阻器通電加熱所引起的自熱特性。

當(dāng)熱敏電阻器由溫度T0增加到TU時，其電阻值RTr隨時間t的變化規(guī)律為：

式中RTt——時間為t時，熱敏電阻的阻值；

T0——環(huán)境溫度；Tu

——介質(zhì)溫度(Tu>T0);

RTa——溫度Ta時,熱敏電阻器的電阻值；

t——時間。當(dāng)熱敏電阻由溫度Tu冷卻T0時，其電阻值RTt與時間的關(guān)系為：伏安特性的位置在儀器儀表中的應(yīng)用

U

m

的左邊溫度計、溫度差計、溫度補償、微小溫度檢測、溫度報警、溫度繼電器、濕度計、分子量測定、水分計、熱計、紅外探測器、熱傳導(dǎo)測定、比熱測定U

m的附近液位測定、液位檢測U

m的右邊流速計、流量計、氣體分析儀、真空計、熱導(dǎo)分析旁熱型熱敏電阻器風(fēng)速計、液面計、真空計（一）檢測和電路用的熱敏電阻

（U

m—峰值電壓）

檢測用的熱敏電阻在儀表中的應(yīng)用

四、熱敏電阻器的應(yīng)用電路元件熱敏電阻在儀表中應(yīng)用分類

在儀器儀表中的應(yīng)用U

m

的左邊偏置線圖的溫度補償、儀表溫度補償、熱電偶溫度補償、晶體管溫度補償U

m的附近恒壓電路、延遲電路、保護電路U

m的右邊自動增益控制電路、RC振蕩器、振幅穩(wěn)定電路

測溫用的熱敏電阻，其工作點的選取，由熱敏電阻的伏安特性決定。

伏安特性的位置(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)65432112D0.2~0.5A型B型(j)溫度檢測用的各種熱敏電阻器探頭

1—熱敏電阻；2—鉑絲；3—銀焊；4—釷鎂絲；5—絕緣柱；6—玻璃（二）

測溫用的熱敏電阻器

1、各種熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)2、

測表面電阻用的熱敏電阻器安裝方法

圖為測表面溫度用的熱敏電阻器的各種安裝方式。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油測量物體表面溫度時熱敏電阻器的安裝方式IT1431123425Ir/mAU/VUR=IT0RUR=IT1RUR=IT2RUR=IT0R0UR=IT1R1UR=IT2R2IT0IT2自熱電橋測量溫線路3、

熱敏電阻測溫電橋

mAIrRURERrUT自熱電橋及其等效電路En(a)(b)(c)R1EnRTR5R6R3(R1)+－+－U2UTRITEURRrAR1R2R4R3U’+

－（三）熱敏電阻作溫度補償用

由熱敏電阻器RT和與溫度無關(guān)的線性電阻器R1和R2串并聯(lián)組成，補償溫度范圍為T1～T2。對于晶體管低頻放大器和功率放大器電路的溫度補償，可用下列公式確定熱敏電阻器的型號：R(T)R1R2Rr溫度補償網(wǎng)絡(luò)T0—25℃時的溫度αtn=-BN/T2設(shè)計原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點：輸出線性好、測量精度高,傳感驅(qū)動電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價格便宜,故在測溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。第四節(jié)IC溫度傳感器

一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1μA/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達10MΩ。這為遠距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV／℃；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測溫原理（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內(nèi)。這時靈敏度可達109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內(nèi)基本誤差不±1℃。輸出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701輸出(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213輸出4－5~－15VRC三、IC溫度傳感器的主要特性輸出電壓/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ溫度/oCAN6701S的輸入特性在-10~80℃范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過0.5%。若在25℃時借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在3~30kΩ間，相應(yīng)的靈敏度為109~110mV/℃。校準(zhǔn)后，在-10~80℃范圍內(nèi)，基本誤差不超過±1℃。這種集成傳感器在靜止空氣中的時間常數(shù)為24s，在流動空氣中為11s。電源電壓在5~15V間變化，所引起的測溫誤差一般不超過±2℃。整個集成電路的電流值一般為0.4mA，最大不超過0.8mA（RL=∞時）。（二）電流型溫度傳感器1．伏安特性工作電壓：4V～30V，I為一恒流值輸出，I∝Tk，即KT——標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1μA/℃I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲線-55℃+25℃+150℃218298423－550150273.2μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線2．溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和，省略非線性項后則有:Tc——攝氏溫度；I的單位為μA。

可見，當(dāng)溫度為0℃時，輸出電流為273.2μA。在常溫25℃時，標(biāo)定輸出電流為298.2μA。I=KT·Tc＋273.23．AD590的非線性150－55△T/oC0.3－0.30在實際應(yīng)用中，ΔT通過硬件或軟件進行補償校正，使測溫精度達±0.1℃。其次，AD590恒流輸出，具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗。當(dāng)電源電壓由＋5V向＋10V變化時，其電流變化僅為0.2μA/V。長時間漂移最大為±0.1℃，反向基極漏電流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT遞增，100℃～150℃則是遞降。ΔT最大可達±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按檔級分等。T/oCAD590非線性誤差曲線美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。（三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器

１、DS1820的特性

單線接口：僅需一根口線與MCU連接；

無需外圍元件；

由總線提供電源；

測溫范圍為-55℃～125℃，精度為0.5℃；

九位溫度讀數(shù)；

A/D變換時間為200ms；

用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報警值，且能夠識別具體報警傳感器。

DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封裝

DS1820的管腳排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引腳及功能

GND：地；

VDD：電源電壓

I/O：數(shù)據(jù)輸入／輸出腳(單線接口，可作寄生供電)

3、DS1820的工作原理圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。存儲器控制邏輯64bitROM和單線接口電源檢測溫度傳感器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器8位CRC觸發(fā)器存儲器DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖寄生電源由兩個二極管和寄生電容組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時,電源端接地，器件從總線上獲取電源。在I/O線呈低電平時，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向器件供電。寄生電源兩個優(yōu)點：檢測遠程溫度時無需本地電源；缺少正常電源時也能讀ROM。若采用外部電源,則通過二極管向器件供電。(1)寄生電源DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS1820對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號點1位），但因符號位擴展成高